摘 要：由于傳統(tǒng)智能家居無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器位置固定,需要布置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)太多導(dǎo)致成本太高．鑒于以上原因，為了實(shí)現(xiàn)在減少Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的前提下，又能實(shí)時(shí)捕捉用戶所需信息的目標(biāo)，本文提出了一種基于Zynq的 FPGA芯片的動(dòng)態(tài)智能家居系統(tǒng)：該系統(tǒng)采用智能小車(chē)作為移動(dòng)網(wǎng)關(guān)，Zigbee作網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，用Sim300 GSM模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)短信收發(fā)功能．遠(yuǎn)程用戶能夠?qū)崟r(shí)獲取家里的信息；并且可以用短信、以及Internet與智能家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)的發(fā)展，以及人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，傳統(tǒng)的住宅顯然已經(jīng)不能滿足人們的需求，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生了。一個(gè)真實(shí)的智能家居傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠把所有物品通過(guò)射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與3G互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理。本文所研究的動(dòng)態(tài)智能家居系統(tǒng)除了能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的家居系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)采集、分析及安防報(bào)警、手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制家用電器開(kāi)關(guān)的功能之外，通過(guò)加入小車(chē)這個(gè)移動(dòng)智能網(wǎng)關(guān)，可以實(shí)時(shí)獲取家里的信息。通過(guò)短信以及Internet與智能家居網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 基于Zynq平臺(tái)的動(dòng)態(tài)智能家居系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)研究背景
當(dāng)前嵌入式設(shè)計(jì)發(fā)展迅猛，在包含大量數(shù)據(jù)處理模塊（比如智能視頻監(jiān)控、先進(jìn)的工業(yè)控制等應(yīng)用）的場(chǎng)景中，對(duì)高性能、低功耗、靈活性高的處理器的需求很高，現(xiàn)有的微處理器缺乏足夠的信號(hào)處理能力，而Zynq-7000是一款高性能和低功耗的處理器平臺(tái)，具有ARM+FPGA的體系結(jié)構(gòu)，能夠提供靈活和可擴(kuò)展的解決方案。

傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)主控CPU一般采取ARM+Zigbee的解決方案，此次系統(tǒng)中創(chuàng)新性的使用Zedboard FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列）作為主控CPU，Zigbee模塊采用CC2530 Soc解決方案，GPRS模塊采用sim300模塊，使用AT指令與用戶手機(jī)進(jìn)行交互，Internet交互通過(guò)BOA,CGI實(shí)現(xiàn).FPGA實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)產(chǎn)生邏輯控制電機(jī)。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)
如下圖1所示，主控模塊完成的功能主要包括與Zigbee協(xié)調(diào)器，GSM/GPRS，Internet的互聯(lián)，攝像頭視頻采集與電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車(chē)控制.該模塊包含兩個(gè)進(jìn)程，進(jìn)程一負(fù)責(zé)取Zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并且將處理后的數(shù)據(jù)分發(fā)給GSM/GPRS模塊，以及Internet WebServer模塊。

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圖 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框架

進(jìn)程一又包括三個(gè)獨(dú)立的線程，分別與各個(gè)模塊進(jìn)行交互.流程如下： pthread_t tid[3]; //創(chuàng)建線程號(hào)pthread_attr_t attr[3]; //為線程分配空間 pthread_attr_init(&attr[0]); pthread_attr_setscope(&attr[0], PTHREAD_SCOPE_SYSTEM); ....... //線程空間初始化 pthread_create(&tid[0],&attr[0],thread_serial_ttyPS1,NULL);//創(chuàng)建線程1：用于ZedBoard獲取ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù) pthread_create(&tid[1],&attr[1],thread_serial_uartlite_debug,NULL);//創(chuàng)建線程2：用于ZedBoard向GSM發(fā)送數(shù)據(jù)包 pthread_create(&tid[2],&attr[2],thread_serial_ttyPS1toWeb,NULL);//創(chuàng)建線程3：用于ZedBoard向Internet發(fā)送數(shù)據(jù)包 pthread_join(tid[0],NULL);....... //在主函數(shù)中加入線程 pthread_rwlock_destroy(&GPacketBuf_rwmutex); //釋放線程

進(jìn)程二是CGI模塊，由WebServer調(diào)用，其功能包括解析數(shù)據(jù)包，并將ZigBee信息以網(wǎng)頁(yè)的形式呈現(xiàn)給用戶.流程如下：第一步，創(chuàng)建數(shù)據(jù)包格式，第二步是運(yùn)用HTML語(yǔ)言將從Zigbee自組網(wǎng)搜集的溫度傳感器、電池供電電壓、火災(zāi)警告、防盜報(bào)警、風(fēng)扇、電燈開(kāi)關(guān)狀況通過(guò)網(wǎng)頁(yè)告知用戶，用戶可以通過(guò)在遠(yuǎn)端登陸Internet查看家居狀況的完整信息.數(shù)據(jù)包的具體格式將會(huì)在后面的ZigBee模塊處給出。

2 ZigBee自組網(wǎng)

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置
在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有三種設(shè)備：協(xié)調(diào)器：負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備.路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，并協(xié)助自身同時(shí)作為終端設(shè)備的通訊.終端設(shè)備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者被喚醒。

2.2 串口通信數(shù)據(jù)包格式
ZedBoard主控與Zigebee協(xié)調(diào)器通信數(shù)據(jù)包格式如下：StartByte ->1B (代表數(shù)據(jù)包起始字節(jié) 0x47)PropertyId->1B (代表屬性ID) NodeId->1B (代表Zigbee終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)ID)PacketLength->2B (代表整個(gè)包的長(zhǎng)度) PrivateData->XB (代表屬性ID對(duì)應(yīng)的負(fù)載內(nèi)容 X = PacketLength -6 ) EndByte->1B (代表數(shù)據(jù)包結(jié)束字節(jié)0x48)

該數(shù)據(jù)包的統(tǒng)一格式不僅用于ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與ZedBoard的通信，也用于ZedBoard FPGA開(kāi)發(fā)板向GSM模塊之間串口通信發(fā)送的數(shù)據(jù)包，也適用于ZedBoard向Internet CGI模塊傳送的數(shù)據(jù)包，即這三個(gè)數(shù)據(jù)包相統(tǒng)一.然后接收模塊再通過(guò)數(shù)據(jù)包協(xié)議對(duì)接收到的消息進(jìn)行解析.GSM模塊會(huì)通過(guò)解析判斷是否有警告情況出現(xiàn)，進(jìn)而向用戶發(fā)短信以警告，Internet模塊再將各個(gè)傳感器收集到的數(shù)據(jù)以文本形式顯示在網(wǎng)頁(yè)上。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)與智能小車(chē)的實(shí)現(xiàn)
該模塊由L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍Vs為+5V到+30V，驅(qū)動(dòng)部分峰值電流為2A，原理圖見(jiàn)下圖2所示，圖中IN1，IN2，IN3，IN4為控制信號(hào)，當(dāng)IN1為0，IN2為1時(shí)，電機(jī)a正轉(zhuǎn)，IN1為1，IN2為0時(shí)，電機(jī)a反轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1，IN2同時(shí)為0或同時(shí)為1時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，PWM-a，PWM-b為使能端，接FPGA PWM輸出信號(hào)，L298N-a，L298N-b為電機(jī)A輸出端.電機(jī)b原理同上。該直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)主要用于驅(qū)動(dòng)智能小車(chē)，以實(shí)現(xiàn)小車(chē)在房間移動(dòng)，并用攝像頭來(lái)采集房間實(shí)時(shí)信息，并及時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)返回給用戶；另外，智能小車(chē)上也帶有一個(gè)ZigBee模塊，裝有熱釋電人體紅外傳感器，以檢測(cè)房間內(nèi)是否有陌生人出入，可燃?xì)怏w傳感器以檢測(cè)廚房是否出現(xiàn)可燃?xì)怏w泄露，煙霧傳感器以檢測(cè)是否有火災(zāi)發(fā)生。

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圖2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖

2.4 GPRS/GSM模塊
在GPRS模塊中，我們采用Simcom提供的SIM300開(kāi)發(fā)模塊，主要是利用8051單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析，以判斷是否有警告消息出現(xiàn)，進(jìn)而向用戶發(fā)送警告短信，向用戶發(fā)送短信是通過(guò)單片機(jī)串口向SIM300串口傳送一連串的AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在發(fā)送AT指令的過(guò)程中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，發(fā)送AT指令的頻率太高會(huì)導(dǎo)致SIM300反應(yīng)不過(guò)來(lái)而導(dǎo)致操作失敗，發(fā)送頻率太低則會(huì)使信息的實(shí)時(shí)性缺失，用戶不能及時(shí)了解到警告信息并通過(guò)發(fā)送短息加以控制，GPRS作為一個(gè)媒介實(shí)現(xiàn)用戶與智能家居系統(tǒng)的互通.同理，Internet 端也作為一個(gè)中間介質(zhì)以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)智能小車(chē)的控制。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)瀏覽的目標(biāo).具體通信的流程圖如下圖3所示：

圖3 系統(tǒng)各模塊間信息傳輸原理圖

3 結(jié)論

（1）采用嵌入式高性能處理器ZedBoard 作為主控CPU，利用Linux軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的應(yīng)用邏輯：例如定義通信協(xié)議、對(duì)信息進(jìn)行收集和分發(fā)、定義Uart IP 核，不僅提高了開(kāi)發(fā)周期，易于后期擴(kuò)展；而且系統(tǒng)整體功能也比較穩(wěn)定。

（2）串口通信方面，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在高波特率下會(huì)出現(xiàn)丟包現(xiàn)象比較嚴(yán)重，低波特率下會(huì)導(dǎo)致信息反饋不及時(shí)，致使系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性降低，最后通過(guò)測(cè)試統(tǒng)一將波特率設(shè)定為9600。

（3）通過(guò)引入智能小車(chē)，能夠?qū)⒁苿?dòng)小車(chē)采集的視頻信息及時(shí)傳送至互聯(lián)網(wǎng).下一步將分析串口數(shù)據(jù)速率對(duì)彩信傳輸有效性之間的關(guān)系，研究?jī)?yōu)化彩信發(fā)送策略，力求在實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的同時(shí)，能夠在短信發(fā)送報(bào)警信號(hào)時(shí)，GPRS模塊能及時(shí)將圖片以彩信形式反饋給用戶。

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